相对论第一次课

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六篇 近代物理基础,Modern Physics,1,引言,经典物理学的辉煌成就,(,三大理论体系,):,机械运动服从牛顿力学,;,热运动服从热力学和经典统计物理,;,电磁运动,(,包括光,),服从麦克斯韦电动力学,.,1900,年,开尔文在展望,20,世纪物理学的文章中写道,:,“,在已经基本建成的科学大厦中,后辈的物理学家,只要做一些零碎的修补工作就行了,”,然而,经典物理的大厦不是天衣无缝,开尔文写道,:,“,在物理学晴朗天空的远处,还有两朵小小的令人,不安的乌云,”,2,两朵乌云指,:,迈克尔逊,-,莫雷实验和黑体辐射实验,两朵乌云迅速扩散,终于引发了物理学史上的一场暴风骤雨,诞生了近代物理的两个基本理论,:,相对论,(Relaivity Theory),量子论,(Quantum Theory),3,第十七章,狭义相对论基础,狭义相对论,(Special Relativity),研究,:,惯性系中物理规律及其变换,揭示,:,时间、空间和运动的关系,广义相对论,(General Relativity),研究,:,非惯性系中物理规律及其变换,揭示,:,时间、空间和物质分布的关系,4,爱因斯坦,（,Albert Einstein,）,（,18791955,）,美籍德国人, 1921,年获诺贝尔物理奖,5,阿尔伯特,爱因斯坦（,Albert.Einstein,）,1879,年,3,月,14,日出生在德国西南距离慕尼黑八十五哩的乌耳姆城,(Ulm),。父母都是犹太人。父亲赫尔曼,爱因斯坦和叔叔雅各布,爱因斯坦合开了一个制造电器设备的小工厂。母亲玻琳是受过中等教育的家庭妇女，非常喜欢音乐，在小爱因斯坦六岁时就教导他拉小提琴。,这是一个和睦、愉快的家庭。亲人们深爱着小爱因斯坦，但都为他的智力发育感到担忧。爱因斯坦小时候并不活泼，三岁多还不会讲话，父母很担心他是哑巴，带他去给医生检查。还好小爱因斯坦不是哑巴可是直到九岁时讲话还不很通畅，所,讲的每一句话都必须经过吃力但认真的思考。小爱因斯坦是一个诚实的孩子，从不做违心的或骗人的事。,6,在四、五岁时，爱因斯坦有一次卧病在床，父亲送给他一个罗盘。当他发现指南针不断地指着固定的方向时，感到非常惊奇，觉得一定有什么东西深深地隐藏在这现象后面。他一连几天很高兴的玩这罗盘，还纠缠着父亲和雅各布叔叔问了一连串问题。尽管他连,“,磁,”,这个词都说不好，但他却顽固地想要知道指南针为什么能指南。这种深刻和持久的印象，爱因斯坦直到六十七岁还能鲜明的回忆出来。,爱因斯坦在念小学和中学时，一般功课属平常，唯有数学成绩远在全班同学之上。由于他举止缓慢，不爱同人交往，老师和同学都不喜欢他。,7,爱因斯坦对于科学事业的伟大贡献是多方面的。他不仅仅是相对论的创始人，而且是一位多学科的理论研究家。即使他不是相对论的创始人，他仍然是科学史上最伟大的物理学家之一。他的科学业绩主要包括四个方面：早期对布朗运动的研究；狭义相对论的创建；推动量子力学的发展；建立了广义相对论，开辟了宇宙学的研究途径。,1905,年创建的狭义相对论和,1921,年创建的广义相对论是爱因斯坦的最重要的科学研究成果，而,1921,年的诺贝尔物理学奖金则是由于他提出了光的量子概念和发现了光电效应定律而获得的。列宁高度称誉他是一位伟大的自然科学革新家。,8,爱因斯坦,(,Albert Einstein, 18791955,),主要科学业绩：,早期对布朗运动的研究,狭义相对论的创建,推动量子力学的发展,建立了广义相对论,1905,年创建的,狭义相对论,1916,年创建的,广义相对论,1921,年获诺贝尔物理学奖,1906,年用量子理论说明了,固体热容,与温度的关系,1912,年用,光量子,概念建立了光化学定律,1916,年提出自,激发射和受激发射,的概念，为激光的出现奠定了理论基础,1924,年提出了,量子统计方法,-,玻色,-,爱因斯坦统计法。爱因斯坦用广义相对论研究整个,宇宙的时空结构,9,10,11,“,2005,世界物理年,”,简介,1905,年，爱因斯坦先后发表了,5,篇具有划时代意义的论文，为相对论、量子论等物理学领域奠定了基础，为纪念这一奇迹年,100,周年，全球物理学界一致呼吁,2005,年为,“,世界物理年,”,。 该倡议首先由 欧洲物理学会（,EPS,）在,2000,年,“,第三届世界物理学会年会,”,上提出；,2002,年，得到国际纯粹与应用物理联合会（,IUPAP,）第,24,次全体大会的一致通过；在,2003,年召开的联合国教科文组织（,UNESCO,）全体会议第,32,次会议上，表决通过了支持,2005,年为世界物理年的决议；,2004,年,6,月,10,日，联合国大会召开第,58,次会议，会议鼓掌通过了,2005,年为“国际物理年”的决议。,12,红色,代表过去 ，,蓝色,代表未来 ，,黄色,和,绿色,表示连结过去到未来,要从过去的基础中建设未来 。,绿色代表进步、进展，,黄色代表和平及团队合作，,科技的进步和国际的合作可以帮助建设光明的未来。,13,17-1,伽利略变换 经典力学时空观,17-2,迈克耳逊,-,莫雷实验,17-3,狭义相对论基础 洛伦兹变换,本节内容,14,17,1,伽俐略变换式 经典力学时空观,一、伽利略变换,(,Galilean Transformation,),两个惯性系,（约定系统）,重合时,，,计时开始,。,如图，,S,，,S,相应坐标轴保持平行，,x,，,x,轴重合，,S,相对,S,以速度,u,沿,x,轴作匀速直线运动。,15,事件：,t,时刻，物体到达,P,点,寻找,两个参考系中相应的坐标值之间的关系,16,(1),坐标变换,正变换,逆变换,(2),速度变换,17,(3),加速度变换,在两个惯性系中,同一质点在两个不同惯性系中的加速度总是相同的。,18,二、力学相对性原理,(,Relativity Principle,),结论：,牛顿运动定律对任何惯性系都是成立的。,推广：,力学定律在所有惯性系都相同,即力学定 律在不同的惯性系中具有相同的形式,力学相对性原理,根据伽利略变换,19,如：动量守恒定律（以两质点碰撞为例）,利用伽利略变换,宏观低速物体的力学规律,在任何惯性系中形式相同,牛顿的相对性原理,动量守恒定律在伽利略变换下形式不变,20,三、经典力学时空观,(,Newtonian,S,pacetime Outlook,),(1),同时的绝对性,(2),时间间隔的绝对性,在同一惯性系中，两个事件同时发生,据伽利略变换，在另一惯性系中,，,在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。,在同一惯性系中，两个事件先后发生，其间隔为,据伽利略变换,在另一惯性系中，,21,在其他惯性系中，两个事件的时间间隔不变。,(3),长度测量的绝对性,当杆的方向沿轴方向时，长度是杆的两端的坐标差，但必须同时测量。,静止系中可不同时测,运动系中同时测,22,静止系中，杆的长度为,运动系中，杆的长度为,据伽利略变换,长度测量是绝对的。,23,(4).,绝对时空观,经典时空观（绝对时空观）认为：,时间与空间都是绝对的，彼此无关的，独立于运动之外的。,1.,长度不变，,2.,时间不变，,3.,绝对同时性，,4.,质量不变，,5.,惯性系中所有力学规律相同。,牛顿定律成功地解决了,低速、宏观物体,的运动问题,经典力学定律是自洽的。,24,在伽利略变换下，时间测量和空间测量均与惯性系的选择无关，,时间和空间不相联系,。经典力学认为物体的运动虽在时间和空间中进行，但时间和空间的性质与物质的运动彼此没有任何联系。,总结,:,25,a.,解释天文现象的困难,蟹状星云到地球的距离大约,5,千光年,而爆发中抛射物的速度,v,大约是,1500km/s,按伽利略变换,地球上可持续,25,年能看到超星星爆发时所发出的强光,.,实际上,:,还不到两年,.,b.,高速运动的粒子的质量随速度增加而增加,1901,年考夫曼在确定镭发出的,射线,(,高速运动的电子束,),荷质比,e/m,的实验中首先发现：电子的,荷质比与速度有关。,26,17,2,迈克尔逊莫雷实验,(The Michelson-Morley Experiment,）,一、实验背景,前提,:,伽利略变换的困难,麦克斯韦电磁理论与经典力学有若干不一致的地方。,1865,年麦克斯韦,( Maxwell),总结出电磁场方程组,;,预言了电磁波的存在,1888,年赫兹,(Hertz),在实验上证实了电磁波的存在。,并指出其速率各向均为,c,(,真空中,)(,与参考系无关,);,这显然和伽利略变换矛盾,按伽利略变换,光速在一个参考系中若是,c,在另一参考系中必不是,c,。,27,为不和伽利略变换矛盾,人们假设,:,宇宙中充满了叫,“,以太,(ether),”,的物质,电磁波靠,“,以太,”,传播。把以太选作绝对静止的参考系,;,电磁场方程组,只在,“,以太,”,参考系成立,;,电磁波,在,“,以太,”,参考系中,速率各向为,c,。,按伽利略变换,电磁波相对于其他参考系,(,如地球,),速率就不会各向均匀,而和此参考系相对于,“,以太,”,的速度有关。,若此,如在地球上测光速,可能,c,或,c,变换无意义,速度有极限,伽利略变换,48,3,、洛仑兹变换式的推导,(,书上有，可自己看,不要求,),S,系的坐标原点,O,，,在,S,系中,：,x,= 0,在,S,系中,：,x, = -,vt,或,x,+,vt, = 0,x=k,(,x+vt,),S,系的坐标原点,x=k,(,x-vt,),相对性原理，这两个惯性系是等价的，,k = k,x = k,(,x-vt,),y=y,z=z,对于,y,z,的关系，,49,讨论,t,与,t,的变换关系,考虑光速原理。假设,O,与,O,垂合瞬时,(,t,=,t,=0),，,由重合点发出的沿,O,x,轴前进的光信号，到达的坐标位置，在两个坐标系中分别为：,x=ct,，,x=ct,50,三、洛伦兹速度变换,S,系：,S,系：,根据洛仑兹变换：,1,、速度变换式,取微分得：,51,2,、速度逆变换式,v,x,c,时，洛伦兹速度变换式变成伽利略速度变换式：,v,x,=c,时,，,v,x,=c,洛伦兹速度变换本身就包含光速极限的概念。,3,、说明,52,例,1,：一短跑选手，在地球上以,10s,的时间跑完,100m,，,在飞行速率为,0.98,c,的飞船中观测者看来，这个选手跑了多长时间和多长距离（设飞船沿跑道的竞跑方向航行）？,解：设地面为,S,系，飞船为,S,系,。,53,例,2,：在惯性系,S,中，相距,x =,510,6,m,的两个地方发生两个事件，时间间隔,t =,10,-2,s,；,而在相对于,S,系沿,x,轴正向匀速运动的,S,系中观测到这两事件却是同时发生的，试求：,S,系中发生这两事件的地点间的距离,x,。,解：设,S,系相对于,S,系的速度大小为,u,。,S,系中同时,:,54,例,3,：在惯性系,S,中，观察到,两个事件发生在同一地点，第二事件在第一事件以后,2,秒钟,；,而在相对于,S,系沿,x,轴正向匀速运动的,S,系中观测到第二事件在第一事件以后,3,秒钟发生的,；,试求：,(1). S,系相对于,S,系的运动速度,(2).,在,S,系中测得两事件之间的距离,x,。,解：,(1),设,S,系相对于,S,系的速度大小为,u,。,由题知,:x=0 t=2 t=3,55,由此解得,S,相对于,S,的速度为,根据洛伦兹变换,可知, S,所测得的两个事件的空间间隔是,（,2,）,S,所测得的两个事件的空间间隔,负号说明沿,X,轴负方向,56,例,4,：,设想一飞船以,0.90c,的速度在地球上空飞行，如果这时从飞船上沿速度方向抛出一物体，物体相对飞船速度为,0.90c,。,问：从地面上看，物体速度多大？,解：,选飞船参考系为,S,系。,地面参考系为,S,系,。,u,x,x,说明：,也可以选地面为,S,系，飞船为,S,系，计算结果一样； 当一个速度为光速,c,时，结果为,c,。,57,例,5:,设有两个可控光子火箭,A,、,B,相向运动，在地面,测得,A,、,B,的速度,沿,x,轴正方向，,各为,，,试求它们的相对运动速度。,A,B,58,解：设地球为参考系,火箭,A,为参考系, A,沿,x,轴,正方向运动,与,轴同向，则, B,相对,A,的运动速度就是相对参考系 的速度,已知,B,相对,S,参考系的速度为,s,A,B,59,如用伽利略速度变换进行计算，结果为：,错误,根据洛伦兹速度变换公式,60,小 结,经典力学时空观,迈克尔逊莫雷实验,狭义相对论的基本原理,洛伦兹变换,坐标变换,速度变换,61,作业,习题,:1-9,62,走在爱因斯坦前面的人,1865,年,麦克斯韦创建了电磁场方程组,;,1890,年,赫兹改造了电磁场方程组,指出电磁波的波速为,C,与波源运动无关,;,1892,年,洛伦兹一方面提出长度收缩假说,解释以太漂移零结果,另一方面建立洛伦兹变换,(,新的时空变换,),洛伦兹变换提出的时空变换方程在形式上和后来爱因斯坦的狭义相对论几乎相同,但是仍然没有跳出绝对时空观的框架,.,他已经走到了狭义相对论的边缘,却没能创立狭义相对论,.,63,1898,年,英国物理学家拉摩,在,一文中不仅包含精确的变换方程,还推出了费兹杰惹,-,洛伦兹长度收缩假设,.,有证据说明,拉摩的工作独立于洛伦兹,而且早于洛伦兹,.,1902,年,法国科学家彭加勒在他的,一书中,对牛顿的绝对时空观提出置疑,;1904,年彭加勒第一次提出”相对性原理”,; 1905,年,完成了两篇题为,的论文,得出结论” 看来,表明绝对运动的不可能性是自然界,64,的普遍规律”,.,此时彭加勒已经非常接近狭义相对论的实质,不过他的论文还没有正式发表,爱因斯坦的划时代文献,就已经问世,.,1905,年,9,月,爱因斯坦在前人的基础上经过长期的酝酿,和探索,发表了历史性文献,第一,次提出了崭新的时空理论,.,65,